プレスリリース

2016.07.22

光照射だけでスピン偏極電流が発生する磁性トポロジカル絶縁体 -高速スピントロニクスへの応用に前進- : 物理工学専攻 川﨑雅司教授、十倉好紀教授ら

理化学研究所(理研)創発物性科学研究センター創発光物性研究ユニットの小川直毅ユニットリーダー、強相関物性研究グループの十倉好紀グループディレクター(東京大学大学院工学系研究科教授)、安田憲司研修生(同研究科博士課程)、強相関界面研究グループの川﨑雅司グループディレクター(同研究科教授)、強相関量子伝導研究チームの吉見龍太郎基礎科学特別研究員、東北大学金属材料研究所の塚﨑敦教授らの共同研究グループは「トポロジカル絶縁体」の薄膜にパルス光を照射することにより、外部電場を加えなくても大きなスピン偏極光電流が発生し、この光電流を永久磁石で加えることができる大きさの外部磁場で制御できることを発見しました。

 トポロジカル絶縁体の表面には、スピンの向きが揃った(スピン偏極した)「ディラック電子」が流れています。通常は逆向きにスピン偏極した電子も流れているため磁性を示しませんが、電流を加えることで特定の向きのスピン密度が増加し磁気的性質が変化するため、スピントロニクスへの応用が期待されています。一方で、電流を加えるとジュール熱の発生によるエネルギーの散逸が発生します。もし、外部電場を加えず光照射だけでスピン偏極光電流を発生させることができれば、トポロジカル絶縁体を省電力の高速スピン偏極電流源として応用できます。しかし先行研究は、円偏光を斜めから照射した場合に比較的小さなスピン偏極光電流が発生したという報告に留まっていました。

 共同研究グループは、トポロジカル絶縁体Cr0.3(Bi0.22Sb0.78)1.7Te3(Cr:クロム、Bi:ビスマス、Sb:アンチモン、Te:テルル)の薄膜を作製し、組成や膜厚制御により光応答を最適化すると同時に、添加した磁性元素Crとディラック電子状態との強い相互作用を利用しました。外部磁場によりCrのスピンを揃え、トポロジカル絶縁体表面のディラック電子への磁気バイアスを制御しつつ直線偏光の赤外線パルス光を照射した際、大きな光電流が発生することを確認しました。電流密度は先行研究に比べて2桁以上大きな値を示しました。電流は外部磁場の向きに直交した方向に流れ、外部磁場の正負を逆にすることにより電流の向きも逆転しました。さらに、薄膜へのCrの添加に空間勾配を加えることにより、電流量が増加することも分かりました。

本成果は、トポロジカル絶縁体が効率的な高速スピン偏極電流源となりうることを示しました。スピン偏極光電流を用いた磁化反転などを利用することで、省電力の磁気メモリデバイスや高速磁気情報制御の実現が期待できます。

本研究は、最先端研究開発支援プログラム(FIRST)課題名「強相関量子科学」の事業の一環として行われました。成果は、英国のオンライン科学雑誌『Nature Communications』(7月20日付け:日本時間7月20日)に掲載されます。

 

 

プレスリリース本文: /shared/press/data/setnws_20160722105346041544287487_977215.pdf

Nature Communications URL : http://www.nature.com/ncomms/2016/160720/ncomms12246/full/ncomms12246.html